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民用汽车为什么要设计120公里以上的速度?

这是一个非常有意思的话题,若思考得足够透彻,可以将许多意想不到的话题串联起来。例如:

  • 特斯拉创业,为什么要先从超跑(Roadster、Model S)做起?
  • 主流的丰田混动,经济性都非常好,但动力性一般。是做不到呢? 还是不想做呢?

多目标优化与帕累托最优

汽车动力系统设计中,最高车速不是一个孤立的指标,而是与加速性能经济性(油耗)紧密关联的。举个例子:

  • 当设计出更高的最高车速时,尽管你没有刻意去做,但加速性能也随着提高了,经济性降低了(更耗油)。
  • 当把最高车速限制在120km/h以下时,尽管你没有刻意去做,但加速性能也随着降低,经济性提高了(更省油)

因此,可能与你想象得不同。在进行动力系统设计的时候,工程师思考的问题并不是“我要将最高车速设计成多少”,而是“应该如何在最高车速、加速性能、经济性之间做出一个合适的取舍,更能满足市场的需求”。

那么问题来了,若动力性与经济性存在trade-off关系,则有人更喜欢“强动力+弱经济性”的组合,有人更喜欢“弱动力+强经济性的组合”,哪个更好呢

萝卜青菜,各有所爱。由于市场偏好是多样的(多目标优化),我们无法判断“哪个组合最好”,但一定能找到“哪些组合一定很差”。

举例:假设有3辆车,如果是你,选择哪一个?

  • A. 最高车速200km/h,百公里加速7s,油耗13,30万元
  • B. 最高车速120km/h,百公里加速7s,油耗13,29.6万元
  • C. 最高车速120km/h,百公里加速17s,油耗9,10万元

凡是脑子没问题人,都会从在A与C之间选一个:C虽然动力性差,但价格实惠啊,再说还省油。B的价格与A差不多,各项性能都更差(非更优),凭什么选B呢

是的,A与C就是多目标优化中的帕累托(Pareto)最优解,而B是非最优解。

  • Pareto最优解:由无数个最优解组成的集合,由于市场偏好不同:无法判断哪个组合更优,但都挺不错!如果公司在最优解中选一个方案,还落得个惨败,只能说是对市场偏好的判断有问题
  • 非最优解:任意一个非最优解,都能够在Pareto最优解集中找到一个组合解,比它各方面更好(至少不差)。如果公司在非最优解中选一个方案,落得个惨败,那就是这公司设计水平不行,死得其所!

你可能会争辩: 这个B选项也太差了吧,不公平!为啥不是这样的“B+”呢:最高车速120km/h,百公里加速7s,油耗9,10万元。

这样一来,B+选项就远远强过了C选项了啊!

抱歉:咱们做优化,是有约束条件的(发动机性能、变速箱档位等等),A、B、C都是在“可行域”内选出来的。你说的B+选项,并不在可行域之内啊!简而言之,梦想很美,但不可行,白日做梦!

为了加深理解,咱们选一个具体的例子,在等成本的情况下优化“最高车速+50km/h加速时间+百公里电耗”组合的问题,如下图,每一个点都是一个Pareto最优解:

  • 当Pareto阵面沿上方箭头向左下移动时,加速性能(即加速时间变短)与百公里电耗性能提高(即电耗降低),最高车速性能下降。
  • 当Pareto阵面沿下方箭头方向移动时,最高车速性能与百公里电耗性能下降,加速性能提高。

拓展可行域的方法与特斯拉Roadster

你不甘心:如果B+选项不在可行域之内,那有没有办法拓展可行域呢?

有的,可以给系统增加自由度。如果原本没有变速箱(电动汽车),可以增加一个2档变速箱。如下图,当增加一个2档变速箱之后,可选的组合就拓展了很多。与上面的那个图相比,在增加2档变速箱之后,我们就可以得到“更高车速、更强加速、更经济性”的帕累托组合了。

但是,增加变速箱的成本别忘了计算了哦!

特斯拉的第一个车型Roadster,最初设计是180kW电机+2档变速箱+60kWh电池,后来由于变速箱生产质量的问题,迟迟无法量产供货。

于是被迫取消了变速箱,但使电机功能增大到240kW才能达到相同的性能。为了配合更大的电机,电池也需要增大到80kWh以提供更大的输出功率。为了达到相同的性能,方案变成了240kW电机+固定速比减速器+80kWh电池

特斯拉为啥从跑车做起?

大家都知道:电动汽车虽然有不少缺点,但有一个优点,动力强加速快。这个认知放到2019年的今天是非常自然的,但在十几年前特斯拉刚创业那会,并不是一个共识。

  • 10年前的时候,不少人认为电动汽车应该做低速小型短续航通勤轿车,来降低成本上的劣势。大家可能会有一个疑问:短续航就短续航,为啥还要低速呢?原因就是:短续航 → 小电池 → 最大输出功率低 → 动力性弱
  • 特斯拉的思路:让消费者接受短续航太难了,必须要做长续航,长续航必然要用大电池;既然大电池的成本都花出去了,可以提供大功率输出,那何不把动力性顺便做上去呢 → 更高车速、更强加速。

我们可以看到, 低成本+低速+弱加速+短续航 高成本+高速+强加速+高续航 这两个组合,可能都是Pareto最优解!

此时此刻,有一个热心知友找到了马斯克:

热心知友:特斯拉大兄弟,您造的是民用车,为什么要设计120公里以上的速度呢?

马斯克: 你的意思是让我造高成本+低速+强加速+高续航的车?与 高成本+高速+强加速+高续航 相比有何优势呢? 消费者不买,亏钱了你赔吗?

热心知友:不不不,我的意思是让您造低成本+低速+强加速+高续航的车。

马斯克:抱歉,因为各项指标是相互关联的,你说的组合不在可行域之内,做不到!

另外一个衍生话题:为啥丰田混动的动力性大多不太强。总体上来说也是一个多目标优化问题,在此就不展开了,有兴趣的见:为何丰田混动的动力似乎都不是很强? 注:此衍生话题存在一些不确定因素与猜测,请仔细鉴别。

小结

民用汽车为什么要设计120公里以上的速度?

  • 抽象表述:针对各档次市场需求的车型设计中,大部分帕累托最优解(Pareto Front)的最高车速都超过120km/h。
  • 通俗表示:设计加速性能、经济性的时候,顺便就能把车速设计到120km/h以上了。既然能,消费者喜欢,法规也没限制,最关键的是成本也不增加,为啥不设计到120km/h以上呢
  • 补充:如果法规不限制汽车设计的最高车速,那说明法律是将控制车速的自由权交给消费者的基础上、然后通过路权来限制的。我作为一个车企,自讨苦吃限制消费者的车速自由,那不是吃饱没事干吗?

民用汽车为什么要设计120公里以上的速度? - 回答作者: 张抗抗 http://zhihu.com/question/335372063/answer/771921132

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